王文燦 黃佳星 楊 都 黃 強(qiáng) 屈成康

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

隨著消費(fèi)類智能產(chǎn)品市場需求的爆發(fā)式增長，物聯(lián)網(wǎng)及傳感器技術(shù)將被廣泛使用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能感知+決策。在空調(diào)行業(yè)中，智能空調(diào)也將成為趨勢(shì)并逐步擁有更高的市場占有率。智能空調(diào)利用先進(jìn)的室內(nèi)定位技術(shù)獲取用戶的數(shù)量和位置信息，配合智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，更符合智慧能源管理的發(fā)展預(yù)期。

本文將在傳統(tǒng)的室內(nèi)定位技術(shù)基礎(chǔ)上探索基于中央空調(diào)系統(tǒng)與室內(nèi)定位技術(shù)結(jié)合，為基于用戶坐標(biāo)的智能空調(diào)控制決策提供技術(shù)支持。

傳統(tǒng)的室內(nèi)定位技術(shù)如表1所示。

表1 常規(guī)的室內(nèi)定位方式

1 超寬帶室內(nèi)定位方法

作為用戶室內(nèi)坐標(biāo)測量及對(duì)應(yīng)空調(diào)器智能控制鏈條的核心，室內(nèi)定位的核心目標(biāo)是能夠?qū)崟r(shí)獲取用戶在室內(nèi)精準(zhǔn)位置信息并實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)內(nèi)機(jī)進(jìn)行能力、風(fēng)向智能調(diào)度功能。

目前的空調(diào)器室內(nèi)定位測量方式大多是基于紅外線技術(shù)、超聲波技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位用戶位置。這些傳統(tǒng)的定位方式通過其物理特性測量信號(hào)傳播時(shí)間和強(qiáng)度得到用戶位置信息。但由于其穿透能力差，存在多徑效應(yīng)和可見光干擾造成室內(nèi)環(huán)境下定位精度較差的缺點(diǎn)，錯(cuò)誤的位置信息導(dǎo)致空調(diào)器的功能調(diào)度不合理，影響用戶體驗(yàn)。

1.1 超寬帶定位系統(tǒng)框架

本文所探索的室內(nèi)定位系統(tǒng)采用UWB（超寬帶）技術(shù)[1-4]，通過測量節(jié)點(diǎn)與用戶之間的通信時(shí)間得到距離從而計(jì)算坐標(biāo)，將懸掛在墻上的空調(diào)器內(nèi)機(jī)作為錨節(jié)點(diǎn)，大范圍、精準(zhǔn)、高時(shí)效性的實(shí)現(xiàn)定位功能。其架構(gòu)如圖1所示。

使用超寬帶技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位功能有很多優(yōu)勢(shì)：

1）能耗低。超寬帶使用的脈沖時(shí)間很短，擁有極低的占空比，信號(hào)很難在時(shí)間上重疊。故它的信號(hào)功率譜的密度非常低，避免了多徑干擾的情況下還降低了能耗。

2）保密性與抗干擾性能很強(qiáng)，相比較于我們生活中更常見的WiFi，藍(lán)牙，ZigBee等無線通信技術(shù)的頻段都是一樣的，但是UWB工作頻率達(dá)到了GHz級(jí)別，使其信息很難被截獲[5]。寬頻工作頻率的UWB不僅可以良好的與其他通信頻段共存，同時(shí)它也不會(huì)對(duì)同一所處環(huán)境下的其他信號(hào)產(chǎn)生影響。

3）穿透能力強(qiáng)，UWB信號(hào)不需要載波，作為一個(gè)基帶窄脈沖，其衰減速度與傳播距離關(guān)系并不大。應(yīng)用在短距離、非視距范圍內(nèi)的通信十分合適。這使得它更加適用于室內(nèi)環(huán)境。

4）當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的時(shí)鐘同步匹配時(shí)，定位精度很高，可以達(dá)到10 cm。

5）當(dāng)超寬帶系統(tǒng)使用小型全向垂直極化天線或小型圓極化天線作為收發(fā)

天線時(shí)，其視距通信范圍可達(dá)到 2 km。在具有墻壁和障礙物建筑物內(nèi)部，通信范圍也可達(dá) 100 m。

1.2 室內(nèi)定位模塊選擇

室內(nèi)定位模塊選擇無線定位芯片DW1000，DW1000是愛爾蘭Deca Wave公司設(shè)計(jì)的一款基于UWB技術(shù)的兼容IEEE 802.15.4-2011標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片。DW1000由一個(gè)接收器、發(fā)射器與片外的主處理器組成。射頻部分自帶低噪聲放大器，能夠放大接收到的信號(hào)，再將接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)制得到數(shù)字基帶信號(hào)，通過SPI接口傳輸給CPU，也通過SPI接收配置功能的信號(hào)[6-8]。

圖1 超寬帶定位系統(tǒng)框架

DW1000芯片具有6 mm×6 mm的48引腳封裝包，支持6個(gè)射頻波段，對(duì)應(yīng)多種數(shù)據(jù)傳輸速率，睡眠模式電流為1μA，內(nèi)置SPI通信總線，可以輕松與MCU高速通信，通信速度最高可以達(dá)到6.8 Mbps，極高的傳輸速率可以滿足系統(tǒng)整體的實(shí)時(shí)性，也提高了測量精度，理想狀況下最優(yōu)測量精度可以達(dá)到10 cm左右。

DWM1000模塊是基于DW1000芯片的集成模塊，它的集成度非常高。是集成了DW1000芯片、天線、電源管理、時(shí)鐘電路的單片，低功耗，低成本的收發(fā)器。DWM1000模塊自帶時(shí)鐘電路，包括一個(gè)38.4 MHz的晶體振蕩器，次頻率下，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位的時(shí)候，內(nèi)部電路可以修正約2 ppm的頻率誤差。一體化的設(shè)計(jì)也擁有較小的體積，全片長23 mm，寬13 mm，高2.9 mm，為側(cè)邊城堡型封裝。芯片的系統(tǒng)時(shí)鐘在設(shè)計(jì)時(shí)參考了IEEE 802.15.4給出的速率標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)時(shí)鐘周期為8 ns[9]。DWM1000模塊不僅通信速度快，精度高，在室內(nèi)環(huán)境下還有者克服障礙物干擾的巨大優(yōu)勢(shì)，由于超寬帶脈沖持續(xù)時(shí)間非常短，帶寬比較寬，因此抗多徑效應(yīng)好，視距環(huán)境下有效通信距離在290 m左右，在非視距情況下依然能保證35 m的穩(wěn)定通信距離。

1.3 室內(nèi)定位算法選取

基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差法（TDOA）是通過檢測目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)到各個(gè)錨點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間差，再將時(shí)間差乘以電磁波傳播速度得到距離差，當(dāng)存在兩個(gè)定點(diǎn)的時(shí)候，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)會(huì)在以這兩個(gè)定點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線上。雙曲線上的節(jié)點(diǎn)與定點(diǎn)的距離差即為待測移動(dòng)目標(biāo)到兩個(gè)錨點(diǎn)之間距離差的雙曲線方程，利用距離差構(gòu)建雙曲線方程。在二維空間中，至少需要三個(gè)錨點(diǎn)來構(gòu)建兩組雙曲線，兩組雙曲線方程可以求解移動(dòng)目標(biāo)的位置坐標(biāo)[10]。TDOA算法本質(zhì)上是利用雙曲線的數(shù)學(xué)性質(zhì)，把信號(hào)做互相關(guān)處理，間接的得到定位目標(biāo)與錨點(diǎn)的距離差，與TOA算法相比對(duì)多個(gè)錨點(diǎn)基站時(shí)鐘的同步要求較弱，待測目標(biāo)只需要檢測信號(hào)到達(dá)時(shí)間差，無需要求移動(dòng)中的待測目標(biāo)與錨點(diǎn)同步時(shí)鐘，擁有較高的精度和容錯(cuò)率是做室內(nèi)定位比較合適的算法之一。

圖2 TDOA定位算法原理圖

二維平面下的TDOA法雙曲線模型如圖2所示。

由圖2可知：

最終求解：

該方程組存在兩個(gè)未知量x、y，因此需要兩個(gè)方程構(gòu)成方程組最終解出待測目標(biāo)的坐標(biāo)[11-13]。圖表現(xiàn)的是二維空間中的情況，此時(shí)需要三個(gè)錨點(diǎn)兩組數(shù)據(jù)，若實(shí)際應(yīng)用在三維空間中則至少需要四個(gè)錨點(diǎn)三組數(shù)據(jù)才能求解。

使用TDOA算法誤差小定位精度高，并且只需要錨點(diǎn)與基站進(jìn)行一次通信，無需雙向通信抵消時(shí)鐘誤差，對(duì)于中央空調(diào)設(shè)備來說減小了功耗，提升了實(shí)用性，因此在本次設(shè)計(jì)中使用TDOA算法。

2 軟件提升定位精度

2.1 雙向測距方案

傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)間距離計(jì)算方法在于求得節(jié)點(diǎn)間通信所消耗的時(shí)間，時(shí)間與光速的乘積即為距離。見圖3單向測距過程。

其中T1、T2、T3、T4采集的是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一次+錨節(jié)點(diǎn)收到信號(hào)的過程，從中計(jì)算到信號(hào)傳播過程中的時(shí)間差得到距離差。

那么這樣處理存在的一個(gè)技術(shù)隱患在于目標(biāo)節(jié)點(diǎn)A與錨點(diǎn)B芯片的時(shí)鐘晶振沒有同步。導(dǎo)致A發(fā)送占用的時(shí)間與B完全接收信號(hào)所占用的時(shí)間有輕微的誤差，為了抵消掉目標(biāo)節(jié)點(diǎn)A與錨點(diǎn)B之間的時(shí)間誤差，軟件設(shè)計(jì)為在單向測距的基礎(chǔ)上再增加一次反向測距[14]。

2.2 軟件提升定位精度方法

根據(jù)雙向測距方案，本系統(tǒng)中添加了T5、T6時(shí)間的采集。如圖4所示有Tcycle1和Tcycle2兩個(gè)周期。相當(dāng)與錨節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)周期內(nèi)各發(fā)送一次、接受一次，因此晶振不同步造成的誤差被算法設(shè)計(jì)所補(bǔ)償[15-16]。

算法補(bǔ)償晶振不同步誤差后的通信時(shí)間計(jì)算公式為：

3 現(xiàn)場總線提升定位精度

3.1 時(shí)鐘同步基本原理

中央空調(diào)設(shè)備使用了CAN總線作為主要通信方式。目前國內(nèi)外在CAN總線時(shí)鐘同步的研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了大量實(shí)質(zhì)性成果，主要解決了時(shí)鐘偏移造成的時(shí)鐘不同步問題，尚未解決多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)仲裁導(dǎo)致的時(shí)鐘不同步問題。室內(nèi)定位技術(shù)通常依賴于節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步，在基于測距的定位中，如果節(jié)點(diǎn)之間能夠保持時(shí)鐘同步，那么就很容易確定聲波等信號(hào)的傳輸時(shí)間，反之亦然。

因此面向基于測距的定位場景，以中央空調(diào)設(shè)備為載體提升CAN總線時(shí)鐘同步的精度，對(duì)于優(yōu)化中央空調(diào)設(shè)備基于位置的精準(zhǔn)控制有重大的意義。本文提出的建立相對(duì)時(shí)鐘算法可解決上述誤差問題，從而達(dá)到要求的同步精度。

時(shí)鐘同步過程分為建立相對(duì)時(shí)鐘、誤差測量、時(shí)鐘修正三個(gè)階段，現(xiàn)以一主一從模式的CAN總線設(shè)備為例，介紹時(shí)鐘同步方法。

3.2 相對(duì)時(shí)鐘建立辦法

系統(tǒng)上電后，主節(jié)點(diǎn)以一定周期T發(fā)送攜帶有時(shí)間戳Tn0的測試消息給從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)接受消息后立即返回?cái)y帶有Tn1時(shí)間戳的消息給主節(jié)點(diǎn)。計(jì)算Tn0與Tn1之間的差距即為在該周期T內(nèi)的相對(duì)時(shí)鐘偏移，計(jì)算所有周期T內(nèi)的偏移即可建立相對(duì)時(shí)鐘。其原理如圖4所示。

3.3 誤差測量方式

根據(jù)圖4建立的相對(duì)時(shí)鐘關(guān)系，統(tǒng)計(jì)所有周期的時(shí)鐘偏移誤差，得到相對(duì)時(shí)鐘偏移與通信周期之間的線性關(guān)系，計(jì)算每周期平均誤差時(shí)間Δt。

3.4 基于現(xiàn)場總線時(shí)鐘修正

主節(jié)點(diǎn)的每一個(gè)周期起始時(shí)刻點(diǎn)發(fā)同步包給從單元，從單元依據(jù)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)情況，調(diào)整己的當(dāng)前時(shí)鐘，保證下一個(gè)周期的起始點(diǎn)和主單元一致。

圖3 雙向通信消除誤差原理

圖4 建立相對(duì)時(shí)鐘

圖5 時(shí)鐘修正

圖6 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

在同步周期內(nèi)，根據(jù)建立的相對(duì)時(shí)鐘，可由各個(gè)從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘減去每周期平均誤差時(shí)間Δt得到當(dāng)前主節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘T1。同步消息返回時(shí)，亦可以通過從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘T3加上每周期平均誤差時(shí)間Δt得到當(dāng)前主節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘T4。

其原理如圖5所示。

4 室內(nèi)定位效果與控制決策

本文論述了超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)的原理及應(yīng)用，通過將超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)搭建于中央空調(diào)設(shè)備，利用中央空調(diào)設(shè)備的CAN總線，在硬件上和軟件上提出消除超寬帶通信中時(shí)鐘誤差的技術(shù)手段。實(shí)現(xiàn)了較好的室內(nèi)定位精度及效果，最終為中央空調(diào)設(shè)備基于用戶精準(zhǔn)室內(nèi)定位的智能控制提供了技術(shù)支撐，實(shí)驗(yàn)中取得了較好的實(shí)現(xiàn)效果。

4.1 超寬帶定位設(shè)備環(huán)境搭建

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用屬于同一中央空調(diào)系統(tǒng)的三臺(tái)天井室內(nèi)機(jī)為室內(nèi)定位錨節(jié)點(diǎn)，用戶攜帶目標(biāo)節(jié)點(diǎn)以虛線所述軌跡進(jìn)行移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖6所示。

4.2 空調(diào)設(shè)備室內(nèi)定位效果

由于定位效果是實(shí)時(shí)更新的，本文截取移動(dòng)過程中的兩個(gè)狀態(tài)如圖7、圖8所示。

通過上位機(jī)圖形顯示，錨節(jié)點(diǎn)互定位效果清晰，用戶移動(dòng)坐標(biāo)變化符合運(yùn)動(dòng)軌跡。同比沒有CAN總線做晶振偏移同步的超寬帶定位設(shè)備。

4.3 基于定位的空調(diào)設(shè)備控制決策

本試驗(yàn)直觀的得到了用戶的坐標(biāo)與空調(diào)設(shè)備間的相對(duì)坐標(biāo)，因此基于用戶位置做出控制決策如圖9、圖10所示。

圖7 室內(nèi)定位軌跡第一階段

圖8 室內(nèi)定位軌跡第二階段

圖9 基于室內(nèi)位置信息控制決策一

圖10 基于室內(nèi)位置信息控制決策二

5 結(jié)語

本文介紹了空調(diào)器對(duì)于室內(nèi)定位技術(shù)的需求與目前常見的室內(nèi)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，比較論證了基于超寬帶通信為室內(nèi)定位手段的優(yōu)越性。從理論上分析了超寬帶通信的誤差來源，并實(shí)際搭建了實(shí)際的中央空調(diào)定位系統(tǒng)。對(duì)定位效果進(jìn)行了采集與測算，實(shí)現(xiàn)了定位軌跡與實(shí)際移動(dòng)軌跡的誤差小于5 cm的空調(diào)設(shè)備精準(zhǔn)定位需求。目前該系統(tǒng)相關(guān)成果已運(yùn)用在產(chǎn)品上，相信隨著室內(nèi)定位技術(shù)精度的提升，中央空調(diào)的控制系統(tǒng)將會(huì)不斷的優(yōu)化，取得更好的用戶體驗(yàn)。